近年來，減少化石能源依賴并推動經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展已成為全人類的共同課題。在諸多可再生能源技術(shù)中，太陽能因其資源豐富、分布廣泛和環(huán)境友好等優(yōu)勢，被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ闹鲗?dǎo)能源之一。

鈣鈦礦太陽能電池的正式結(jié)構(gòu)和反式結(jié)構(gòu)的示意圖

鈣鈦礦太陽能電池作為新興的光伏電池，自2009 年被首次報道以來，憑借其高能量轉(zhuǎn)換效率、低成本、構(gòu)型簡單、易加工等優(yōu)點引起了光伏研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)硅基太陽能電池相比，鈣鈦礦材料具有制備工藝簡單、材料來源豐富以及可溶液加工的特點，使其在降低成本和實現(xiàn)高性能光伏器件方面具有顯著優(yōu)勢，在短短十余年間實現(xiàn)了從實驗室探索到產(chǎn)業(yè)化試點的跨越。

柔性鈣鈦礦太陽能電池的應(yīng)用場景示例

2009～2025 年，鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8%迅速提升至27%以上，與傳統(tǒng)晶硅太陽能電池接近，顯示出巨大的應(yīng)用潛力。同時，鈣鈦礦太陽能電池在柔性器件、半透明電池以及光電一體化系統(tǒng)中表現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。鈣鈦礦太陽能電池作為當前最具潛力的新型光伏技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)化之路正從“技術(shù)突破”邁向“系統(tǒng)整合”，涵蓋從材料、工藝、封裝、回收，到產(chǎn)品設(shè)計、跨界融合等多個維度。

鈣鈦礦太陽能電池

面臨的挑戰(zhàn)與展望

目前，盡管鈣鈦礦太陽能電池取得了顯著進展，但是其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括材料穩(wěn)定性問題、大面積制備難題、光電轉(zhuǎn)換機制尚不清晰、環(huán)境與健康風(fēng)險等。在國內(nèi)外能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級和“雙碳”目標的大趨勢下，鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展將迎來歷史性機遇。為了更好地實現(xiàn)其商業(yè)化，針對鈣鈦礦太陽能電池面臨的挑戰(zhàn)，未來的發(fā)展應(yīng)重點關(guān)注以下幾個方面。

▋1. 進一步提升大面積鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率

鈣鈦礦單結(jié)太陽能電池理論效率約33%，鈣鈦礦雙結(jié)疊層電池理論效率超過40%，鈣鈦礦太陽能電池的效率仍有較大的提升空間。盡管鈣鈦礦太陽能電池在實驗室條件下能量轉(zhuǎn)換效率超過27%，但是其大面積平米級組件的能量轉(zhuǎn)換效率不足20%。未來通過界面工程、添加劑工程、器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、大面積薄膜均勻制備技術(shù)等策略，縮小實驗室和產(chǎn)業(yè)化之間的效率差距，推進鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化進程。

大面積鈣鈦礦太陽能電池組件的制備步驟示意圖

▋2.進一步提升鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性

鈣鈦礦太陽能電池暴露在大氣環(huán)境下能量轉(zhuǎn)換效率存在嚴重的衰減，紫外光照和溫度等也會影響到鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。因而，開發(fā)穩(wěn)定性較高的鈣鈦礦材料和電子/空穴傳輸材料，尋找有效的器件封裝技術(shù)，是鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性提升的必要手段；另外，完善鈣鈦礦太陽能電池性能和壽命的評測標準，建設(shè)穩(wěn)定性測試平臺，為鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化提供可靠的技術(shù)評估，是未來鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化推進迫切的需求。

▋3.加強理論研究

鈣鈦礦太陽能電池源于染料敏化太陽能電池，在短時間內(nèi)取得的飛速發(fā)展和優(yōu)異成績，使得研究人員將更多的精力放在了如何改進薄膜的制備方法、提高材料的性能和器件的能量轉(zhuǎn)換效率上面，對鈣鈦礦太陽能電池微觀物理機理、材料的基本性質(zhì)、工作機理的深層認識還非常欠缺。增強鈣鈦礦太陽能電池的理論研究，不僅可以進一步提高性能，而且也可以為尋找更簡單、高效的新型結(jié)構(gòu)提供思路。

▋4. 降低環(huán)境污染

常用的鈣鈦礦太陽能電池的吸光層中含有可溶性重金屬鉛，器件老化或損壞時，鉛可能被釋放，對環(huán)境和健康產(chǎn)生潛在影響。另外，在器件制備過程中還可能用到有毒性的有機溶劑，易對環(huán)境造成污染。因此開發(fā)無鉛的鈣鈦礦太陽能電池和綠色溶劑的制備過程將成為未來研究的重點方向。

綜上所述，鈣鈦礦太陽能電池在高效率、低成本和柔性應(yīng)用等方面具有顯著優(yōu)勢，但仍面臨材料穩(wěn)定性、環(huán)境安全、大面積制備和產(chǎn)業(yè)化等挑戰(zhàn)。未來，通過材料創(chuàng)新、界面工程、器件優(yōu)化和智能光伏系統(tǒng)集成，鈣鈦礦太陽能電池有望在低成本、高效率光伏領(lǐng)域發(fā)揮核心作用，為全球可持續(xù)綠色能源的發(fā)展提供有力支撐。

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所楊棟研究員等最新力作《鈣鈦礦光伏技術(shù) ：材料、器件與產(chǎn)業(yè)化》立足于鈣鈦礦太陽能電池的材料科學(xué)、器件物理和工程技術(shù)，系統(tǒng)梳理其發(fā)展脈絡(luò)與研究進展，并對核心科學(xué)問題與產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)進行深入剖析。

鈣鈦礦光伏技術(shù) ：材料、器件與產(chǎn)業(yè)化

楊 棟 等 編著

ISBN 978-7-03-084144-5

北京: 科學(xué)出版社, 2025. 12

本書首先介紹了鈣鈦礦材料的組成與分類，探討陽離子、鹵素及其混合策略對晶體結(jié)構(gòu)、帶隙調(diào)控和穩(wěn)定性的影響。在薄膜制備方面，總結(jié)了溶液法和真空法相關(guān)的技術(shù)路徑。在器件結(jié)構(gòu)與界面工程部分，論述了電子傳輸層與空穴傳輸層的材料特性、能帶匹配原則及界面缺陷鈍化策略。另外，本書系統(tǒng)總結(jié)了熱、濕和光照等因素對器件性能的影響機理，并介紹了國際標準（ISOS）的加速老化測試方法。在此基礎(chǔ)上，討論了封裝材料與工藝、界面保護層、多陽離子及低毒/無鉛材料等穩(wěn)定性提升策略。針對柔性光伏與規(guī)?；苽湫枨?，介紹了柔性基底、透明電極材料體系以及器件在機械應(yīng)力下的性能演變機理，以及涂布、噴墨打印及卷對卷連續(xù)生產(chǎn)等工藝。最后，在產(chǎn)業(yè)化和未來發(fā)展方面，論述了全球大面積鈣鈦礦組件的最新進展和代表性企業(yè)的技術(shù)路線，展望了人工智能輔助材料篩選與器件預(yù)測以及鈣鈦礦在其他光電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

表 世界各國企業(yè)與機構(gòu)技術(shù)路線以及產(chǎn)業(yè)布局

本書兼顧科學(xué)性與實用性，力求將復(fù)雜的理論機制與材料調(diào)控方法轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)清晰、內(nèi)容翔實且可操作的知識體系，并通過豐富的實例與數(shù)據(jù)支撐，幫助讀者建立從基礎(chǔ)研究到工程實踐的完整理解。無論是高等院校相關(guān)專業(yè)的研究生、從事光伏研究的科研人員，還是致力于鈣鈦礦太陽能電池研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的工程師，本書均可作為系統(tǒng)學(xué)習(xí)與技術(shù)參考的重要資料。我們期望本書的出版能夠為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供理論和技術(shù)支撐，為全球能源的可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。

本文摘編自《鈣鈦礦光伏技術(shù) ：材料、器件與產(chǎn)業(yè)化》 （ 楊棟等編著. 北京: 科學(xué)出版社, 2025. 12）一書“第1 章 鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展概況”“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-084144-5

責任編輯：李明楠 陳昭晴

本書概述了鈣鈦礦太陽能電池的工作原理和發(fā)展歷程，對鈣鈦礦吸光材料的組成和分類、鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)和各層材料及制備工藝進行了系統(tǒng)的介紹，并對鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀進行了全面的總結(jié)。內(nèi)容主要包括鈣鈦礦組分調(diào)控、鈣鈦礦薄膜的制備、器件結(jié)構(gòu)和界面的設(shè)計、封裝技術(shù)的開發(fā)和大面積制備工藝的優(yōu)化。本書還結(jié)合當前最新研究成果與產(chǎn)業(yè)化進展，重點討論了降解機制、環(huán)保問題及規(guī)模化應(yīng)用的瓶頸與突破路徑。

本書內(nèi)容兼具科學(xué)性與實用性，適合高等院校、科研院所能源與新材料領(lǐng)域研究生及科研人員閱讀參考，可作為研究生專業(yè)教材、企業(yè)研發(fā)團隊技術(shù)培訓(xùn)手冊或工程技術(shù)人員深入了解鈣鈦礦光伏前沿的參考讀物。

（本文編輯：劉四旦）

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